【Linux】——文件(上)

系统角度的文件

在系统层面来说，文件就是内容加属性 。

我们的所有文件操作其实就是对文件的内容和属性进行操作。

操作系统在任何进程运行时，都会打开三个输入输出流：
标准输入流，标准输出流以及标准错误流

对于C语言分别就是：stdin、stdout以及stderr 。对于C++分别就是：cin、cout和cerr，自然其他语言也会有相似的概念，因为这是操作系统所支持的，而不是某个语言所独有的。

文件在没有被访问时，是存储在磁盘上的，访问时，在内存中，为什么不在磁盘直接访问呢，还要跑到内存里？

根据冯-诺依曼体系，cpu是访问不了磁盘的，所以，文件必须加载到内存当中，所以打开文件的本质就是：将文件加载到内存中。

因为文件 = 内容 + 属性 ，所以加载时，加载的就是文件的内容或属性。

三个默认打开流

Linux下一切皆文件 ，所以我们的键盘和显示器也是文件，我们朝着键盘输入数据，本质就是操作系统向键盘文件中读取数据；我们能看到显示器上的数据，本质就是操作系统向显示器文件写入数据。

标准输入流对应我们的键盘，标准输出流以及标准错误流对应我们的显示器。

我们整个fputs函数看一下：

c 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
    // 向显示器打印
    fputs("hello world!\n",stdout);
    fputs("hello world!\n",stdout);
    fputs("hello world!\n",stdout);
    return 0;
}

文件系统调用

open

pathname：从路径类型来看，他可以是绝对路径也可以是相对路径(响相当于当前的工作目录，比如file.txt )。

flags：打开文件的方式

mode：创建文件的默认权限(八进制数)

常用的几种打开方式：

参数选项	含义
O_RDONLY	以只读的方式打开文件
O_WRNOLY	以只写的方式打开文件
O_APPEND	以追加的方式打开文件
O_RDWR	以读写的方式打开文件
O_CREAT	当目标文件不存在时，创建文件

如果想同时兼具多个打开方式，可以使用逻辑与|链接。比如说我们想打开文件并且文件不存在时创建文件：

c 复制代码

O_WRNOLY|O_CREAT

这些选项本质是一个宏，但是以前用几个宏我们就得传一个参数，怎么flags一个整型就搞定了呢？

flags采用的是位图表示法：32个比特位，理论上可以传递32个不同的标志位

下面的代码来演示一下标志位：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
// 00001
#define ONE (1<<0)
// 00010
#define TWO (1<<1)
// 00100
#define TREE (1<<2)
// 01000
#define FOUR  (1<<3)
// 10000
#define FIVE (1<<4)
void Print(int flags)
{
    if(flags & ONE)
        printf("one\n");
    if(flags & TWO)
        printf("two\n");
    if(flags & TREE)
        printf("tree\n");
    if(flags & FOUR)
        printf("four\n");
    if(flags & FIVE)
        printf("five\n");

}

int main()
{
    printf("-------------------\n");
    Print(ONE);
    printf("-------------------\n");
    Print(TWO);
    printf("-------------------\n");
    Print(TREE);
    printf("-------------------\n");
    Print(FOUR);
    printf("-------------------\n");
    Print(FIVE);

    return 0;
}

我们需要注意的是：

如果我们打开的文件已经存在，就使用第一个接口:
int open(const char *pathname, int flags);

如果打开的文件不存在就需要使用第二个接口，为新创建的文件设置默认权限:
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

为什么新创建的文件需要mode呢？

因为创建文件权限和文件起始权限是两个独立的功能 ，所以你要通过第三个参数mode指定权限。

如果要设置文件默认权限，就需要考虑umask(掩码)的影响

文件起始权限的原理：
mode&(~mask)，即mode参数与umask的反码按位与运算的结果。

比如mode为0666，umask设置为0022，实际文件权限就是0666 & ~0022 = 0644。

文件描述符

我们通过以下代码看看文件描述符：

c 复制代码

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
    umask(0);//设置文件掩码为0
    int fd1 = open("log1.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd2 = open("log2.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd3 = open("log3.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd4 = open("log4.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd5 = open("log5.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	printf("fd1:%d\n", fd1);
	printf("fd2:%d\n", fd2);
	printf("fd3:%d\n", fd3);
	printf("fd4:%d\n", fd4);
	printf("fd5:%d\n", fd5);
    return 0;
}

open的返回值为啥从3开始？

因为Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入0，标准输出1，标准错误2。fd_array[]的分配原则就是会去找最小的没有被使用的fd。

0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器

在我们的操作系统中，文件是由进程打开的，那么进程能够大量存在，由进程打开的文件肯定也是非常多的。为了方便对文件进行管理，我们会将每个文件struct file链接起来。

c 复制代码

struct File
{
  // 属性
  // int mode
  // ......
  // struct File* next
};

一个文件可能被多个进程读写，操作系统为了能够精准识别每个进程对应的文件，我们的进程控制块task_struct就存在一个指向名为struct file_struct的结构体指针 。

这个结构体指针数组struct file*fd_array[]里面又存在每个名为struct file的地址，这样我们就能找到进程对应的文件了。

一般我们的指针数组truct file*fd_array[]的0，1，2下标分别对应我们的标准输入流，标准输出流，标准错误流三个文件，而这些下标就是我们所说的文件描述符------fd 。

跟上面的open的返回值为啥从3开始 相呼应。

所以进程只需要找到对应的指针数组fd_array[]，就能访问对应的文件，所以这就是为什么我们的文件系统调用接口一定得有fd 。

我们能把前三个标准流关闭试一试，看操作系统怎么分配fd：

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    close(0);
    close(2);
	int fd1 = open("log1.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd2 = open("log2.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd3 = open("log3.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd4 = open("log4.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	int fd5 = open("log5.txt", O_RDONLY | O_CREAT, 0666);
	printf("fd1:%d\n", fd1);
	printf("fd2:%d\n", fd2);
	printf("fd3:%d\n", fd3);
	printf("fd4:%d\n", fd4);
	printf("fd5:%d\n", fd5);
	return 0;
}

进程和文件的关联图：

当一个程序运行起来时，操作系统会将该程序的代码和数据加载到内存，然后为其创建对应的task_struct、mm_struct、页表等相关的数据结构，并通过页表建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。如果与我们的文件管理联系起来，就是一个磁盘文件log.txt加载进内存形成内存文件，最后加入对应双向链表中管理起来。

当文件存储在磁盘上时，我们称之为磁盘文件 。而当磁盘文件被加载到内存中后，就变成了内存文件 。磁盘文件与内存文件的关系，恰似程序和进程的关系。程序在运行起来后成为进程，同样，磁盘文件在加载到内存后成为内存文件 。

磁盘文件主要由两部分构成，即文件内容和文件属性 。文件内容指的是文件中存储的数据，而文件属性则是文件的一些基本信息 ，包括文件名、文件大小以及文件创建时间等 。这些文件属性也被称为元信息。在文件加载到内存的过程中，一般会先加载文件的属性信息 。这是因为在很多情况下，我们可能只需要了解文件的基本属性，而不一定立即需要对文件内容进行操作。当确实需要对文件内容进行读取、输入或输出等操作时，才会延后式地 加载文件数据。这样的设计可以提高系统的效率，避免在不必要的时候浪费资源加载大量的文件数据。